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Wärmepumpe
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Was ist eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe nutzt die Energie ihrer Umgebung, um das Innere von Gebäuden zu heizen oder zu kühlen. Zur Produktion von Warmwasser oder Heizwärme bedient sich die Wärmepumpe der Energie aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Über ein Kältemittel im Inneren der Wärmepumpe und thermodynamischer Effekte, kann so ein Gebäude beheizt werden, obwohl die Außentemperatur niedriger ist.

Eine Wärmepumpe stellt somit eine Möglichkeit einer 100% nachhaltigen und klimafreundlichen Heizung dar, sofern die Wärmepumpe mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben wird. Eine Wärmepumpe schafft es so, aus 1 kWh elektrischem Strom 3 bis 6 kWh Wärme.

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Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe hat primär eine Funktion, nämlich die Wärme aus der Umgebung in das Gebäude zu bringen. Damit das funktionieren kann, bedient sich die Wärmepumpe den besonderen Eigenschaften des Kältemittels. Das Kältemittel dient der Wärmeübertragung aus der Umgebung in das Heizsystem des Gebäudes. Damit das physikalisch funktionieren kann, muss das Kältemittel auch bei sehr niedrigen Temperaturen verdampfen können. Das ist sehr wichtig, da nur so der Kompressor richtig funktionieren kann und Wärme an den inneren Heizkreislauf abgegeben werden kann.

Die Wärmepumpe ist ein thermodynamischer Kreisprozess. Das bedeutet, er funktioniert kontinuierlich unter bestimmten Bedingungen mit einem bestimmten Ergebnis. Eine Wärmepumpe hat deshalb einen Bereich für die Außentemperatur, in dem sie funktionieren kann. Damit dieser Kreisprozess am Laufen gehalten wird, verfügt die Wärmepumpe über einige wichtige Bauteile.

Folgende Bauteile hat eine Wärmepumpe:

  • Verdampfer
  • Verdichter
  • Kondensator
  • Entspannungsventil
  • Notheizstab
  • Puffertank
Funktion Wärmepumpe
Quelle: sivVector | Shutterstock.com

Arbeitsschritte einer Wärmepumpe:

  1. Kältemittel wird durch Umgebung verdampft
  2. Kompressor verdichtet dampfförmiges Kältemittel, bleibt dampfförmig (Druck und Temperatur steigen)
  3. Heißer Kältemitteldampf gibt Wärme an Heizkreislauf im Gebäude ab und wird flüssig
  4. Entspannungsventil senkt den Druck des flüssigen Kältemittels, wodurch die Temperatur sinkt
  5. Kältemittel hat nach dem Entspannungsventil wieder im Ursprungszustand und kann nun wieder durch die Umgebung erwärmt und verdampft werden
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Welche Arten von Wärmepumpen gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, die sich in ihrer Art der Wärmequelle und ihrer Wärmeverteilung unterscheiden. Für die Wärmequellen für Wärmepumpen stehen folgende Arten zur Verfügung:

  • Luftwärmepumpe: Umgebungsluft erwärmt direkt das Kältemittel
  • Erdwärmepumpe: Ein Solekreislauf nimmt die Wärme aus dem Erdreich auf
  • Grundwasserwärmepumpe: Grundwasser erwärmt direkt das Kältemittel

Der weitere Unterschied der Wärmepumpen liegt in der Art der Wärmeverteilung. Hier werden auf 2 Prinzipien zurückgegriffen:

  • Wassergeführte Heizsysteme (klassischen Wärmepumpen)
  • Lüftungsheizsysteme (z.B. eine Split Klimaanlage)

Luft-Wasser-Wärmepumpe:

Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist die am häufigsten verbaute Wärmepumpe in Deutschland. Circa 70% der Neubauten werden mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ausgestattet. Das liegt daran, dass diese Art der Wärmepumpe sehr einfach aufgebaut ist und wenig Aufwand bei der Installation und Inbetriebnahme benötigt.

Luft Wasser Wärmepumpe
Quelle: Studio Harmony | Shutterstock.com

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe wird auf dem Grundstück platziert und entzieht der Umgebungsluft die Wärme und führt sie über ein Kältemittel dem Heizkreislauf des Gebäudes zu. Sie funktioniert überall, solange die Umgebungstemperatur nicht niedriger als -20°C wird. Sie sind aber im Vergleich zu anderen Arten von Wärmepumpen, wie zum Beispiel der Wasser-Wasser-Wärmepumpe, nicht so effizient.

Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdwärmepumpe):

Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe wird auch Erdwärmepumpe genannt, weil sie ihre Energie aus dem umliegenden Erdreich. Zur Aufnahme der Wärme aus dem Erdreich wird hier eine Solelösung eingesetzt, da diese angesichts des Bodens die Wärme optimal aufnehmen kann. Für eine Erdwärmepumpe werden dafür großflächig die Leitungen im Erdreich vergraben, die sogenannten Erdwärmekollektoren. Das kann prinzipiell auf 2 Weisen geschehen.

Eine Variante die Sole-Leitung der Erdwärmepumpe zu vergraben, ist diese flach im Erdreich zu verteilen. Die Erdwärmekollektoren befinden sich hier in einer Tiefe von etwa 0,7 bis 1,5 Meter. Dadurch, dass man nur geringe Tiefen hat, benötigt man eine größere Fläche, um genügend Energie aus dem Erdreich zu bekommen.

Sole Wasser Wärmepumpe Erdkollektor
Quelle: vchal | Shutterstock.com

Eine weitere Variante ist es, die Erdwärmekollektoren in einer Tiefenbohrung auf einer deutlich geringeren Fläche zu platzieren. Man spricht hier dann von einer Erdsonde. Das spart Platz, man muss jedoch in Tiefen von 80 bis 150 Meter bohren. Das führt zu höheren Kosten und ist unter Umständen auch von der örtlichen Behörde Genehmigungspflichtig. Eine Erdwärmepumpe hat dafür einen höheren Wirkungsgrad als eine klassische Luft-Wasser-Wärmepumpe.

Erdwärmepumpe Erdsonde
Quelle: vchal | Shutterstock.com

Wasser-Wasser-Wärmepumpe (Grundwasserwärmepumpe):

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe, oder auch Grundwasserwärmepumpe genannt, bezieht ihre Wärme aus dem Grundwasser vor Ort. Grundwasserwärmepumpen gehören zu den effizientesten Wärmepumpen. Jedoch ist ihre Anschaffung teurer und mit deutlich mehr Aufwand verbunden.

Zunächst müssen die geologischen Gegebenheiten stimmen. Es muss also genug Grundwasser mit der richtigen Temperatur vorhanden sein. Für die Grundwasserwärmepumpe müssen dann 2 Brunnen gebaut werden, die das Grundwasser im Kreis führen. Im Saugbrunnen wird das warme Grundwasser zur Wärmepumpe geführt und gibt dort seine Wärme an das Kältemittel ab. Danach wird das kühlere Grundwasser über den Schluckbrunnen wieder zurückgeführt. Grundwasserwärmepumpen benötigen immer eine Genehmigung durch die örtlichen Behörden.

Grundwasserwärmepumpe
Quelle: Slavo Valigursky | Shutterstock.com

Luft-Luft-Wärmepumpe (Split Klimaanlage):

Die Luft-Luft-Wärmepumpe gehört wie die Luft-Wasser-Wärmepumpe zu der Kategorie der Luftwärmepumpen. Sie werden umgangssprachlich auch Split Klimaanlagen genannt. Die Luft-Luft-Wärmepumpe kennen viele aus dem Urlaub in Spanien, Italien oder Portugal. In Südeuropa werden diese Split Klimaanlagen gerne eingebaut, da sie im Winter heizen und im Sommer effizient kühlen können. Aber auch für neu gebaute Niedrigenergiehäuser können Split Klimaanlagen eine interessante Heizungsoption sein.

Die Funktion ist ähnlich wie bei den anderen Wärmepumpen. Das Quellmedium, aus dem die Energie gewonnen wird, ist die Umgebungsluft. Die Energie wird dann über das Kältemittel direkt an die Luft des Wohnraums übertragen. Split Klimaanlagen (Luft-Luft-Wärmepumpen) sind weniger effizient als andere Wärmepumpenarten und eignen sich daher überwiegend für gut isolierte Immobilien oder Ferienhäuser und Ferienwohnungen.

Luft Luft Wärmepumpe
Quelle: Allahfoto | Shutterstock.com

Was ist der COP-Wert?

COP ist Englisch und steht für „coefficient of performance“, was auf Deutsch auch Leistungszahl genannt wird. Der COP-Wert ist ein vom Hersteller ermittelter Wirkungsgrad der Wärmepumpe für einen bestimmten Arbeitspunkt. Der COP-Wert gibt das Verhältnis von abgegebener Wärmeenergie zur aufgenommenen elektrischen Energie an. Das bedeutet, je höher der COP-Wert, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.

Ein COP-Wert von 4 heißt somit, dass pro 1 kWh elektrischen Stroms 4 kWh Wärmeenergie erzeugt werden. Im Datenblatt findet man den COP-Wert als Zahlen- und Buchstabenkombination, z.B. A0W35 = 4.

Der erste Buchstabe und Zahl (hier „A0“) im COP-Wert steht für das Quellmedium und seine Temperatur. In diesem Fall steht das für „Luft bei 0°C“.

Der zweite Buchstabe und Zahl (hier „W35“) steht für das Zielmedium und dessen Endtemperatur, auf das die Wärme des Kältemittels übertragen wird. In diesem Fall steht „W35“ für das Zielmedium Wasser mit 35°C.

Für das Quellmedium gibt es noch weitere Buchstaben, die auch für die anderen Wärmepumpen Typen Anwendung finden:

  • A = Luft
  • B = Sole
  • E = Erdreich
  • W = Grundwasser

Der COP-Wert stellt lediglich ein Vergleichswert dar und dient nicht zur Beurteilung der realen Wirkungsgrade und Leistung der Wärmepumpe. Es dient im Vorfeld des Kaufs einer Vergleichbarkeit der einzelnen Wärmepumpen verschiedener Hersteller. Grundsätzlich gilt, dass ein hoher COP-Wert für niedrige Quellmedientemperaturen im Heizbetrieb gut ist. Umgekehrt für den Kühlbetrieb gilt ein hoher COP-Wert für hohe Quellmedientemperaturen als guter Richtwert.

Was ist die Jahresarbeitszahl?

Die Jahresarbeitszahl (kurz JAZ) ist ähnlich wie der COP-Wert eine Angabe zum Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Der Unterschied zum COP-Wert liegt darin, dass die Jahresarbeitszahl den Gesamtwirkungsgrad über ein Betriebsjahr widerspiegelt. Darin einberechnet ist die gesamte Wärmepumpe, mit all ihren Komponenten, wie Kompressor, Ventilator und Pumpen.

Auch die JAZ wird vom Hersteller für ein normiertes Beispiel berechnet. Die tatsächliche Jahresarbeitszahl ist aber stark abhängig von den örtlichen Bedingungen und dem Betrieb der Wärmepumpe. Sie ist auch jedes Jahr unterschiedlich, da sie stark von der Witterung abhängig ist. Es macht daher Sinn, die Jahresarbeitszahl kontinuierlich aufzuzeichnen. Zum einen um den eigenen Verbrauch zu optimieren und zum anderen um etwaige Defekte an der Wärmepumpe zu erkennen.

Folgende Einflussfaktoren verändern die Jahresarbeitszahl (JAZ):

  • Außentemperaturen
  • Betriebsweise
  • Lüftungsverhalten
  • Wärmeabnahme
  • COP-Wert
  • Herstellungsqualität

Lohnt sich eine Wärmepumpe?

Eine Wärmepumpe kann sich unter bestimmten Gesichtspunkten lohnen. Allgemein sind Wärmepumpen am effizientesten, wenn der Temperaturunterschied zwischen Umgebung und dem Wohnraum relativ gering ist. So ist der Temperaturunterschied gering und die Wärmepumpe muss nicht ständig in Volllast laufen, um die Wohnung zu heizen. In puncto Effizienz gibt es aber große Unterschiede zwischen den Wärmepumpen, weshalb bei einer geplanten Installation sich hier genauer informiert werden muss.

Besonders interessant sind Wärmepumpen bei Neubauten, besonders in Verbindung mit einer PV-Anlage auf dem Dach. So kann die Wärmepumpe teilweise mit dem eigenen Solarstrom betrieben werden und arbeitet zeitweise kostenlos. Dafür muss die Wärmepumpe aber auch Smart Grid geeignet sein. Die Planung einer Wärmepumpe in Verbindung mit einer PV-Anlage sollte durch einen Fachmann gemacht werden.

Vorteile

Vorteile einer Wärmepumpe:

  • Klimafreundlich
  • Staatlich gefördert
  • Reverse Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen
  • Geringe Wartungskosten
  • Geringe Betriebskosten mit einer PV-Anlage
  • Smart Home Verknüpfung möglich
Nachteile

Nachteile einer Wärmepumpe:

  • Teilweise genehmigungspflichtig (Erdwärmepumpen & Grundwasserwärmepumpen)
  • Hohe Betriebskosten bei schlechter Auslegung
  • Hochwertige Wärmepumpen teuer in der Anschaffung
  • Für Altbauten nur bedingt geeignet
  • Setzt gute Planung voraus

Welche Bedingungen braucht eine Wärmepumpe?

Die Bedingungen unterscheiden sich und sind auch abhängig von der Art der Wärmepumpe. Grundlegend gilt, dass eine Wärmepumpe bei niedrigen Vorlauftemperaturen effizienter arbeitet. Das ist auch der Grund, warum Wärmepumpen meist in Kombination mit einer Fußbodenheizung verwendet werden. Für neu gebaute Häuser stellt das kein großes Problem dar, wenn eine Fußbodenheizung in die Planung integriert ist. Für Altbauten kann das jedoch zum Problem werden.

Eine Wärmepumpe hat einen bestimmten Bereich, in dem sie arbeiten kann. Das betrifft zum einen die maximale Vorlauftemperatur, die die Wärmepumpe erreichen kann. Ersetzt man nun eine alte Öl- oder Gasheizung mit einer Wärmepumpe, könnten die Heizkörper dann für die geringere Vorlauftemperatur zu klein sein, um die Räume ausreichend zu heizen. Beim Kauf einer Wärmepumpe muss daher immer auch an die eventuell bereits vorhandenen Heizkörper gedacht werden.

Eine weitere Bedingung für eine Wärmepumpe sind die Witterungsbedingungen über das Jahr. Besonders Luftwärmepumpen können ab einer bestimmten Außentemperatur nicht mehr genügend Heizleistung aufbringen. Je kälter es draußen ist, desto weniger Heizleistung bringt die Wärmepumpe. Bei circa -20°C Außentemperatur ist bei den meisten Wärmepumpen die Grenze erreicht. Die Folge wäre ein teures Heizen mit dem Notheizstab.

Für sehr kalte Regionen, in denen der Winter auch sehr streng ausfallen kann, eignen sich daher andere Arten von Wärmepumpen besser, wie zum Beispiel eine Erdwärmepumpe oder eine Grundwasserwärmepumpe. Ob eine Wärmepumpe dieser Art möglich ist, hängt von den geologischen Gegebenheiten sowie der behördlichen Genehmigung ab.

FAQ Wärmepumpe:

Eine Wärmepumpe ist vor allem bei neu gebauten Häusern sehr sinnvoll. Denn Wärmepumpen brauchen eine gute Dämmung und am besten eine Fußbodenheizung mit niedrigen Vorlauftemperaturen, um effizient arbeiten zu können. Bei Altbauten können Wärmepumpen ihre Schwierigkeiten haben.

Eine Wärmepumpe sollte bei möglichst geringen Vorlauftemperaturen betrieben werden. Dementsprechend müssen die Heizkörper ausgelegt sein, um die Räume ausreichend mit Wärme versorgen zu können. Daher eignen sich Fußbodenheizungen sehr gut für Wärmepumpen.

Wärmepumpen erzeugen in der Regel Vorlauftemperaturen von 35 bis 45°C. Höhere Vorlauftemperaturen sind meist mit einem höheren Stromverbrauch verbunden oder legen eine größer Dimensionierte Wärmepumpe voraus. Hochleistungswärmepumpen schaffen mittlerweile sogar Vorlauftemperaturen von bis zu 70°C und können damit die alte Gasheizung oder Ölheizung 1-zu-1 ersetzen.

Luftwärmepumpen brauchen in der Regel keine Genehmigung. Hier sollte lediglich auf die Ruhestörung der Nachbarn und der Richtung des Luftausstoßes geachtet werden. Erdwärmepumpen brauchen oft eine Genehmigung, besonders wenn es sich um eine Tiefenbohrung für eine Erdsonde handelt. Grundwasserwärmepumpen benötigen immer eine Genehmigung.

Die Lautstärke von Wärmepumpen hängt stark von der Qualität des Modells ab. Die Lautstärke variiert zwischen 30 und 60 Dezibel (zischen Flüstern und Gesprächslautstärke). Hochwertige Wärmepumpen sind besser gedämmt und verursachen weniger Lärm. Ebenso sind Luftwärmepumpen leiser, wenn der Luftstrom des Ventilators nach oben zeigt.

Welche Kosten hat eine Wärmepumpe?

Die Kosten für eine Wärmepumpe variieren stark von der Art der Wärmepumpe, dem Modell und Hersteller sowie der staatlichen Förderung. Allgemein kann man sagen, dass die Kosten sich auf die Wärmepumpe selbst und die ggfs. erforderlichen Baumaßnahmen im Außenbereich aufteilen. Auch wenn Erdwärmepumpen und Grundwasserwärmepumpen teurer in der Anschaffung sind, haben sie eine bessere Effizienz und damit im Vergleich zu Luftwärmepumpen geringere Betriebskosten.

 

Anschaffungskosten einer Wärmepumpe:

Unterschiede in den Anschaffungskosten bei der Wärmepumpe selbst resultieren zunächst aus der Größe der Wärmepumpe und der entsprechenden Heizleistung. Hochleistungswärmepumpe, die auch deutlich höhere Vorlauftemperaturen erreichen. Auch spezielle Funktionen wie zum Beispiel Smart Home oder Smart Grid Fähigkeiten schlagen sich im Preis für die Wärmepumpe zu Buche.

Für den Außenbereich muss man bei Erdwärmepumpen und Grundwasserwärmepumpen mit zusätzlichen Kosten rechnen. Während man eine Luftwärmepumpe bloß im Außenbereich aufstellen muss, muss man bei Erdwärmepumpen sehr viel Erdboden bewegen. Erdwärmekollektoren werden relativ flach im Erdreich vergraben. Dafür braucht man aber eine größere Fläche auf dem Grundstück. Deutlich teurer sind Erdsonden, die tiefe Bohrungen bis 150 Meter benötigen. Ebenfalls sehr teuer sind dementsprechend auch die Saug- und Schluckbrunnen für eine Grundwasserwärmepumpe.

Zusammengefasst kosten neue Wärmepumpen je nach Art und inklusive Förderung ungefähr so viel:

  • Luft-Wasser-Wärmepumpe: 9.000 – 20.000 €
  • Sole-Wasser-Wärmepumpe: 15.000 – 30.000 €
  • Wasser-Wasser-Wärmepumpe: 17.-000 – 35.000 €

Betriebskosten einer Wärmepumpe:

Die Betriebskosten einer Wärmepumpe hängen sehr stark von der Effizienz der Wärmepumpe ab. Abhängig von der Art der Wärmepumpe, der benötigten Heizleistung und der Witterung können die Betriebskosten stark variieren. Eine wichtige Kennzahl für die Effizienz und den damit verbunden Betriebskosten ist die Jahresarbeitszahl. Bei niedrigen Jahresarbeitszahlen muss eher mit elektrischem Strom geheizt werden, um die Temperaturen im Heizkreislauf halten zu können.

Allen voran ist der Strompreis ein weiterer wichtiger Faktor für die Betriebskosten der Wärmepumpe. Weitere Betriebskosten, wie zum Beispiel Wartung und Verschleiß sind bei der Wärmepumpe sehr gering und fast schon vernachlässigbar im Vergleich zu den Stromkosten. Je effizienter die Wärmepumpe arbeitet, desto geringer die Stromkosten und damit die Betriebskosten der Wärmepumpe. Hier schneiden Erdwärmepumpen und Grundwasserwärmepumpen tendenziell besser ab als Luftwärmepumpen.

Berechne hier die Stromkosten deiner Wärmepumpe:

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Bildnachweise:

Wärmepumpe: Artikel-ID 2165666023 © Studio Harmony | Shutterstock.com

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Luft-Wasser-Wärmepumpe: Artikel-ID 2041335314 © Studio Harmony| Shutterstock.com

Sole-Wasser-Wärmepumpe Erdkollektor: Artikel-ID 2158138547 © vchal | Shutterstock.com

Erdwärmepumpe Erdsonde: Artikel-ID 2214724511 © vchal | Shutterstock.com

Wasser-Wasser-Wärmepumpe Grundwasserwärmepumpe: Artikel-ID 263424155 © Slavo Valigursky | Shutterstock.com

Luft-Luft-Wärmepumpe: Artikel-ID 2204477489 © Allahfoto | Shutterstock.com

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